Предельные эксплуатационные параметры.

Параметры транзисторов

 

Параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные.

 

Электрические параметры:

1. Граничная частота, f_ГР;

2. Коэффициент передачи тока, K_I;

3. Обратные токи переходов при заданных обратных напряжениях, I_KO;

4. Емкости переходов, С_i-j;

и т.д.

 

Кроме общих электрических параметров в зависимости от назначения

транзистора указывается ряд специфических параметров, присущих данной категории транзисторов.

Предельные эксплуатационные параметры.

Предельные эксплуатационные параметры - это максимально допустимые значения напряжений, токов, мощности, температуры, при которых гарантируются работоспособность транзистора и значений его электрических параметров в пределах норм технических условий.

 

Например, к предельным эксплуатационным параметрам относятся:

1. Максимально допустимые обратные напряжения на переходах. U_{обр макс};

2. Максимально допустимая рассеиваемая мощность, P_{к макс};

3. Максимально допустимая температура корпуса, t^o_{макс корп};

4. Диапазон рабочих температур, t^o_мин, t^o_макс.

Режимы работы транзистора

 

В зависимости от полярности на­пряжений, приложенных к электродам транзистора, возможны четыре режима его работы:

- активный;

- отсечки;

- насыще­ния;

- инверсный.

 

Режимы насыщения и отсечки объединяют одним термином – ключевой режим.

 

Активный режим работы используется при усиле­нии малых сигналов, прямое напряжение подается на эмиттерный переход, а обрат­ное - на коллекторный.

В режиме отсечки оба перехода смеща­ются в обратном направлении. Ток тран­зистора в этом режиме мал, он практиче­ски заперт (транзистор заперт).

В режиме насыщения оба перехода смещаются в прямом направлении, через транзистор протекает максимальный ток, он полностью открыт (транзистор открыт).

В инверсном режиме (используется редко), эмиттерный переход смещен в обратном направле­нии, а коллекторный в прямом. Этот режим чаще всего используют в быстро­действующих ключевых схемах.

 

 

 

режим	полярность
активный	+	-	+	-
отсечки	-	+	+	-
насыщения	+	-	-	+
инверсный	-	+	-	+

 

Рис. 9.1 Полярности напряжений на электродах транзистора при различных режимах работы

 

Принцип действия транзисторов типа n-p-n такой же, только в область ба­зы вводятся из эмиттера не дырки, а электроны; полярность напряжений Е_к и Е_э будет противоположной случаю p-n-р; направления токов из­менится на противоположное, т.к. они обусловлены в данном случае не дыроч­ной, а электронной проводимостью.

Усилительные свойства транзистора

Усилительные свойства транзистора рассмотрим на примере схемы включения транзистора с общей базой, рис.9.2

 

Рис.9.2

 

На вход транзистора, относительно перехода база-эмиттер, подаются два напряжения: постоянное напряжение смещения Е_Э и переменное напряжение подлежащее усилению U_вх, причем

 

U_вх<< Е_Э (9.1)

 

Соотношение источников питания Е_К и смещения Е_Э:

 

Е_Э < Е_К. (9.2)

 

В коллекторную цепь транзистора включа­ется сопротивление нагрузки R_H.

Т.к. выходное со­противление транзистора (транзистор, со стороны коллек­торного перехода является источником тока, его внутреннее сопротивление велико,1-10 МОм), то можно в цепь коллектора включать большие по номиналу сопротивления нагрузки, почти не влияя на величину коллекторного тока (R_H - единицы и десятки килоом).

 

Соответственно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность (переменной составляющей)

 

P_{вых ~} =1/2I_к²R_н (9.3)

 

Входное сопротивление схемы, напротив, весьма ма­ло (прямо смещенного эмиттерного перехода, единицы - десятки Ом). Соответственно

 

R_н >> R_вх, (9.4)

 

Поэтому при почти одинаковых токах коллектора и эмиттера I_к ~ I_э, (включение транзистора в схеме с общей базой) мощность, потребляемая в цепи эмиттера

 

P_{вх ~} =1/2I_э²R_вх (9.5)

 

оказывается несравненно меньше, чем выделяе­мая в цепи нагрузки.

 

P_вых/ P_вх ~ R_н / R_вх (9.6а)

 

Из (9.6) и (9.4) видно, что

 

P_вых>> P_вх (9.6б)

 

!!! Т.о транзистор способен усиливать мощность, т.е. он являет­ся усилительным прибором.

 

Полевые транзисторы

Полевой транзистор полупроводниковый прибор, ток которого изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным напряжением.

 

Полевые транзисторы (ПТ) в отличие от биполярных (БТ) ряд специфических особенностей:

- высокое входное сопротивление;

- малое потребление энергии по цепи управления

ПТ нашли широкое применение и как дискретные элементы схем, также они ши­роко используются в интегральных микросхемах (ИМС). Это объясняется простотой изготовления (в настоящее время) ПТ ИМС, по сравнению с БТ, малым потреблением энергии и высокой плотностью расположения элементов в ИМС.

 

 

С изолированным

Затвором (МОП, МДП)

P-n переходом

Конструкция

Схематическое устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом представлено на рис. 9.4

 

 

Рис. 9.4 Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом

 

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой монокристалл полупроводника n - типа проводимости.

 

По торцам кристалла методом напыления сформированы электроды, а посередине, с двух сторон, созданы две области p -типа проводимости также с электрическими выводами от этих областей, соединенные между собой (возможны и другие варианты структуры, например – цилиндрическая с кольцевым затвором).

 

На границе раздела областей с различным типом проводимости возникнет

р-n переход.

 

ПТ содержит три полупроводниковые области: две одного и того же типа проводи­мости, называемые соответственно истоком (И) и стоком (С), и противоположной им типа проводимости, называемой затвором (З).

Область между стоком и истоком называется каналом.

 

К каждой из областей (стоку, истоку и затвору) присоединены соответствую­щие выводы (невыпрямляющие контакты, омические).

 

В транзисторе используется движение носителей заряда одного знака (ос­новных носителей), которые, ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, СОЗДАВАЕМОГО ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ (U_си), движутся из истока через канал в сток.

 

Этим объ­ясняются названия: исток - область, из которой выходят носители заряда, и сток - область, в которую они входят.

 

p-n переход при нормальном режиме работы транзистора должен быть обратносмещенным.

 

Физика работы

Действие прибора основано на зависимости толщины p-n перехода в зависимости от

приложенного к нему напряжения.

 

Источник напряжения U_3И создает отрицательное напряжение на затворе (относительно истока), p-n переход находится в запертом состоянии и почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость практически равна нулю.

 

Увеличение запирающего напряжение на затворе приводит к увеличению ширины перехода (области обедненной носителями заряда) и соответственно к уменьшению сечения проводящего канала.

 

Если подключить к каналу источник питания U_ИС между стоком и истоком (невыпрямляющими контактами), то через кристалл полупро­водника потечет ток.

 

С уменьшением или увеличением напряжения на затворе (U_3И’, U_3И” на рис.9.4) уменьшается или увеличивается ширина p-n перехода, вследствие этого изменяется сечение канала которое зависит от толщины р-n перехода т.е. изменяется сопротивление канала и в результате изменяется величина тока стока I_С.

Таким образом, изменением напряжения на затворе, можно управлять 1_С.

 

Носители в канале движутся от истока к стоку под действием продольного электрического поля (направленного вдоль канала), создаваемого напряжением меду стоком и истоком.

 

Основным процессом переноса носителей заряда, образующим ток полевого транзистора, является дрейф основных носителей в электрическом поле.

 

Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения между затво­ром и истоком, направлено перпендикулярно дви­жению носителей в канале и при этом говорят, что ток транзистора управляется поперечным электрическим полем.

 

Можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе, при котором произойдет полное перекрытие канала.

При полностью перекрытом канале ток канала I_C обращается в нуль, а в це­пи стока течет лишь малый остаточный ток (или ток отсечки) I_СО.

Он состоит из обратного тока p-n перехода I₀ и тока утечки I_у, протекающего по поверх­ности кристалла. Т.к. I_у «I₀, то I_со ~ I₀.

 

!!! Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда называют униполярным, т. к. его работа основана только токах основных носителях заряда либо электронов, либо дырок (зависит от типа канала).

Вследствие этого в полевом транзисторе отсутствуют процессы накопления и рассасывания объемного заряда неосновных носителей, оказывающих заметное влияние на быстродействие биполярного транзистора.

 

 

Модуляция ширины канала

 

В рабочем режиме по каналу протекает ток I_С, поэтому потенциалы раз­личных поперечных сечений оказываются неодинаковыми, рис.9.5 (для примера показан транзистор с каналом p- типа, напряжение на затворе – положительное, а на стоке - отрицательное).

 

Рис. 9.5Модуляция ширины p- канала

 

Потенциал U_Cх, распре­деленный вдоль канала, меняется от 0 (у земляного вывода) у истока до U_C у стока.

Оба напряжения U_ЗИ (положительное) и U_Cх (отрицательное)являются запирающими для p-n перехода.

Наибольшим будет сечение канала возле истока, где напряжение на переходе U_pn = U_3И, и наименьшим возле стока, где U_{pn =} U_ЗИ - Uc.

Если увеличивать напряжение на стоке Uc, то увеличение I_С, начиная с некоторого

значения Uc, прекратиться, т.к. сужение канала будет увеличивать его сопро­тивление и увеличения тока, несмотря на увеличение напряжения, происходить не будет. Этот процесс называется насыщением.

При относительно большом напряжении Uc, когда U_СИ + U_3И > U_{pn допуст}, в сто­ковом участке обратно включенного управляющего p-n перехода возникает электрический лавинный пробой и I_С резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

 

Условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n переходом:

 

 

Рис. 9.6 Условные обозначения полевого транзистора, имеющего канал n-типа (а) и

p-типа (б). Стрелка в выводе затвора указывает направление прямого тока через р-n переход

 

Схемы включения транзистора

Транзистор может быть включен в усилительный каскад тремя различ­ными способами: по схеме с общей базой (ОБ), сообщим эмиттером (ОЭ), и с общим коллектором (ОК).

Такая терминология указывает, какой из электродов транзистора является общим для его входной и выходной цепе й. Различные схемы включения имеют различные свойства, но принцип усиления у них одинаков.

Схема с ОБ

Эта схема ( рис.1) рассматривалась нами выше для поясне­ния принципа работы транзистора.

Входной сигнал прикладывается к выводам эмит­тера и базы, а источник питания U_Kи нагрузка R_Hвключены между выводами коллектора и базы. Усилительный каскад, собранный по схеме с ОБ обладает малым входным сопротивлением (единицы Ом) и большим выходным сопротивлением (1-10 МОм).

Рис.1 схема с ОБ

 

При отсутствии переменного входного сигнала (U_ВХ =0) через транзистортекут токи покоя-Iоэ, Iок, т.к базо-эмиттерный переход открыт напряжением смещения Е_см, на делителе напряжения R_б1 и R_б2 (статический режим работы)

При подаче на вход транзистора последовательно с напряжением E_см переменного входного напряжения U_вx ток I_э становится также переменным, повторяющим по форме входное напряжение.

При этом будет изменяться количество электронов вводимых из эмиттера в базу (для транзистора n-p-n), а следовательно, и ток коллектора 1_К в цепи коллектора.

Этот ток, проходя по сопротив­лению нагрузки R_H, создает на нем переменное напряжение, также повторяющее по форме входной сигнал.

Переменная составляющая выходного на­пряжения U_H отделяется с помощью конденсатора С от постоянной состав­ляющей и подается на выход усилителя (переменное напряжение Uвых).

В схеме с ОБ полярности входного и выходного сигналов совпадают.

Схема с ОК

В схеме с ОК ( рис.2 ) входным током является I_б, авы­ходным током, протекающим по нагрузке – I_Э.

 

Рис.2 Схема с ОК

 

В отличие от схемы с ОБ, схема с ОК усиливает сигнал по току.

Коэффициент усиления по току (в системе h-параметров - h_21к) для этой схемы равен:

 

К_I =DI_э/DI_б =DIэ/(DI_э-DI_к)=1/(1-DI_к/DI_э)=1/(1- a) > 10 (1)

 

Входное сопротивление R_вх схемы с ОК очень велико (десятки - сотни кОм),

а выходное R_вых - мало (десятки - сотни Ом)

 

Коэффициент усиления по напряжению К_и < 1 (0,9 - 0,95);

Коэффициент усиления по мощности К_Р порядка 10-100.

 

Схема применяется в основном для согласования сопротивлений между отдель­ными каскадами усилителя или между выхо­дом усилителя и низкоомной нагрузкой.

Схема с ОК не изменяет полярности выход­ного сигнала.

Схема с ОЭ

Наиболее распространенная схема включения БТ (рис.3).

Входной сигнал прикладывается к выводам эмиттера и базы, а источник пита­ния коллектора, и последовательно соединенное с ним R_H, включены между выводами эмиттера и коллектора.

Таким образом, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей.

 

 

 

Рис.3 Схема с ОЭ

 

Особенностью схемы с ОЭ является то, что вход­ным током является I_Б. Поэтому входное сопро­тивление каскада с ОЭ R_6X значительно выше, чем входное сопротивление каскада с ОБ, и составляет сотни Ом.

Выходное сопротивление R_ВЫХ в схеме с ОЭ также доста­точно велико - десятки кОм.

Важнейшим достоинством схемы с ОЭ является большое усиление по току (10-100):

КI = DIк/DI_б (2)

Обычно КI обозначают буквой b (в системе h- параметров - h_21Э).

 

b=DIк/DI_Б=DIк/(DI_Э-DIк)=1/(DI_Э/DI_К)-1 (3)

 

помня, что a =DI_К/DI_Э

b =a/1-a (4)

Коэффициент усиления по напряжению для схемы с ОЭ имеет приблизительно такую же величину, как и в схеме ОБ

 

DU_вых= DI_K R_н

K_U= DI_K R_н / DU_ВХ (5)

 

Чем больше коэффициент a, тем ближе по своей величине 1_К к Iэ и выше усиление по напряжению. Коэффициент усиления по мощности для схемы с ОЭ равен:

 

K _P = K _I K _U = b K _U (6)

 

оказывается значительно выше, чем для схемы с ОБ и может достигать величи­ны нескольких тысяч (до 10000).

Выходной сигнал схемы с ОЭ имеет противоположную полярность по отноше­нию к входному.

Входная характеристика

Зависимость I_Б = f(U_Б) при U_K = const.Ее называют еще базовой

характеристикой ( рис.4).

Рис.4 Входная статичкеская характеристика, схемы с ОЭ

 

С ростом напряжения U_K ток I_Б уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении U_K растет на­пряжение, приложенное к коллек­торному переходу в обратном на­правлении, уменьшается вероятность рекомбинации носителей в базе, т.к. почти все носители быстро втягива­ются в коллектор.

Выходная характеристика

Зависимость Iк = f( Uк ) при Iб = const (рис.5)

 

Рис.5 Выходная характеристика, схемы с ОЭ

 

Напряжение, приложенное к коллекторному переходу равно U_КЭ - U_БЭ, т.к. эти напряжения, включенные между точками коллектор - база оказались включенны­ми встречно (рис.6).

Поэтому при U_KЭ <U_БЭ напряжение на коллекторном переходе оказывается включенным в прямом направлении. Это приводит к тому, что крутизна выходных характеристик на начальном участке от Uкэ = 0 до U_KЭ = U_БЭ велика и зависимость тока от напряжения на коллекторе практически линейная.

На участке U_KЭ >U_БЭ крутизна характеристик уменьшается, они идут почти параллельно оси абсцисс. Положение каждой из выход­ных характеристик зависит, главным образом, от I_Б.

 

Рис.6

Параметры транзисторов

 

Параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные.

 

Электрические параметры:

1. Граничная частота, f_ГР;

2. Коэффициент передачи тока, K_I;

3. Обратные токи переходов при заданных обратных напряжениях, I_KO;

4. Емкости переходов, С_i-j;

и т.д.

 

Кроме общих электрических параметров в зависимости от назначения

транзистора указывается ряд специфических параметров, присущих данной категории транзисторов.

Предельные эксплуатационные параметры.

Предельные эксплуатационные параметры - это максимально допустимые значения напряжений, токов, мощности, температуры, при которых гарантируются работоспособность транзистора и значений его электрических параметров в пределах норм технических условий.

 

Например, к предельным эксплуатационным параметрам относятся:

1. Максимально допустимые обратные напряжения на переходах. U_{обр макс};

2. Максимально допустимая рассеиваемая мощность, P_{к макс};

3. Максимально допустимая температура корпуса, t^o_{макс корп};

4. Диапазон рабочих температур, t^o_мин, t^o_макс.

Режимы работы транзистора

 

В зависимости от полярности на­пряжений, приложенных к электродам транзистора, возможны четыре режима его работы:

- активный;

- отсечки;

- насыще­ния;

- инверсный.

 

Режимы насыщения и отсечки объединяют одним термином – ключевой режим.

 

Активный режим работы используется при усиле­нии малых сигналов, прямое напряжение подается на эмиттерный переход, а обрат­ное - на коллекторный.

В режиме отсечки оба перехода смеща­ются в обратном направлении. Ток тран­зистора в этом режиме мал, он практиче­ски заперт (транзистор заперт).

В режиме насыщения оба перехода смещаются в прямом направлении, через транзистор протекает максимальный ток, он полностью открыт (транзистор открыт).

В инверсном режиме (используется редко), эмиттерный переход смещен в обратном направле­нии, а коллекторный в прямом. Этот режим чаще всего используют в быстро­действующих ключевых схемах.

 

 

 

режим	полярность
активный	+	-	+	-
отсечки	-	+	+	-
насыщения	+	-	-	+
инверсный	-	+	-	+

 

Рис. 9.1 Полярности напряжений на электродах транзистора при различных режимах работы

 

Принцип действия транзисторов типа n-p-n такой же, только в область ба­зы вводятся из эмиттера не дырки, а электроны; полярность напряжений Е_к и Е_э будет противоположной случаю p-n-р; направления токов из­менится на противоположное, т.к. они обусловлены в данном случае не дыроч­ной, а электронной проводимостью.